CN110649582B - 基于换流站节点类型的直流断路器配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于换流站节点类型的直流断路器配置方法，当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口加装一个DCB；当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口仅有一条出线时，在靠近另一节点的位置安装一个DCB，在靠近本节点的位置安装一个UFD；当具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口加装一个UFD；当任意两个具有直流故障清除能力的节点相连时，其相连线路中需加装一个DCB；当DCB与UFD的安装位置为同一位置时，仅保留DCB，无需额外安装UFD。本发明充分利用换流站类型、DCB和UFD的动作特性，三者彼此配合进行故障隔离。

Description

基于换流站节点类型的直流断路器配置方法

技术领域

本发明属于电力测试与仪器技术领域，具体涉及基于换流站节点类型的直流断路器配置方法。

背景技术

在“全能能源互联”计划的推动下，组成直流电网的换流站可能以下三种组合方式：全为不具有故障清除能力的换流站、全为具有故障清除能力的换流站，或两种换流站皆有。对于含有故障清除能力环流站的电网而言，当发生故障时，仅靠故障端的换流站无法清除故障，其余换流站通过网孔内的直流线路持续向故障点馈能，所以网孔内所有换流站都需短时中断功率输送，但这会导致引发交流侧功率变化、频率变化、潮流转移、交流侧二三道放线动作等，导致更加严重的后果。因此，对于这类电网，也需要引入DCB清除故障，以减小直流侧故障的影响。

但随着电网扑结构的复杂化，若在线路两端均配置DCB，其数量将大大增加，DCB造价昂贵，经济性较差，且完全采用直流线路两端加装直流断路器来实现多端直流***的保护方法，遇到多端直流***中各直流线路故障电流差别不明显，直流线路故障难以正确定位等难题，因此有必要提出一种基于换流站节点类型的直流断路器配置方法来解决上述难题。

发明内容

本发明目的在于提供基于换流站节点类型的直流断路器配置方法，用于解决现有技术存在的问题，比如：随着电网扑结构的复杂化，若在线路两端均配置DCB，其数量将大大增加，DCB造价昂贵，经济性较差，且完全采用直流线路两端加装直流断路器来实现多端直流***的保护方法，遇到多端直流***中各直流线路故障电流差别不明显，直流线路故障难以正确定位等难题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于换流站节点类型的直流断路器配置方法，具体配置方法如下：

(1)、当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口加装一个DCB；

(2)、当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口仅有一条出线时，在靠近另一节点的位置安装一个DCB，在靠近本节点的位置安装一个UFD；

(3)、当具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口加装一个UFD；

(4)、当任意两个具有直流故障清除能力的节点相连时，其相连线路中需加装一个DCB；

(5)、当DCB与UFD的安装位置为同一位置时，仅保留DCB，无需额外安装UFD。

优选的，其中(4)的具体加装方法为：当其中一个节点传输功率与另一个节点不相同时，DCB的安装位置为更容量大的节点出口侧，使得容量大的节点不中断功率传输，而另一节点短时中断功率传送；当两者传输功率相同时，DCB可安装在任一节点出口。

优选的，在上述配置方法的基础上，DCB、UFD和节点的动作时序如下：

首先将DCB或UFD与节点的连接类型分为，与故障点直接相连、与故障点间接相连、与故障点不相连三种，具体定义如下：

1)与故障点直接相连的DCB或UFD：该DCB或UFD直接安装于故障线路一侧，至故障点相连的路径上，不经过其他DCB、UFD或直流节点；

2)与故障点间接相连的DCB或UFD：此DCB或UFD与故障点相连的路径上，其一，至少有一条路径没有经过DCB，通过UFD或直流节点与故障点相连，其二，至少有一条路径没有经过UFD，通过DCB或直流节点与故障点相连；

3)与故障点不相连的DCB或UFD：此DCB或UFD与故障点相连的所有路径中，每条路径都至少经过一个DCB或UFD；

其次以DCB为边界，对直流电网的线路保护进行分区，分区内故障时，仅有分区内的DCB、UFD、换流站节点动作；

具有故障清除能力的节点、DCB、UFD隔离故障的动作时序如下：

第一种、具有故障清除能力的节点：分区内发生故障后，分区内的具有故障清除能力的节点须利用其故障清除能力，减小故障支路电流，其后分区内与故障直接相连的UFD断开，隔离故障；当故障与具有故障清除能力的节点隔离后，若节点有多条出线，需恢复其运行；

第二种、UFD：当具有故障清除能力的节点使故障电流减小后，与故障点直接相连的UFD必须立即断开；

第三种、DCB：分区内发生故障后，作为分区边界与故障点直接相连及间接相连的DCB必须断开；当故障隔离后，与故障点间接相连DCB需再次闭合，以保证***功率的正常输送。

优选的，对于故障点两侧都是DCB、故障点两侧分别为UFD和DCB时，若故障点两端为DCB时，仅闭合距离故障点更远的DCB，若故障两侧分别为UFD、DCB，则仅闭合DCB；检测该闭合的DCB上有无故障电流，若无故障电流，则重合故障点另一侧UFD或DCB；若故障电流依然存在，则再次分断该DCB；

对于不具有直流故障清除能力的换流站节点仅有一条出线时，其首次故障后节点退出运行，交流侧交流断路器断开；重合闸时，首先闭合DCB，并判断故障电流是否存在，若故障电流依然存在，则再次断开该DCB；若无故障电流，则重合出线近端UFD、闭合交流断路器并解锁换流器，***恢复运行。

优选的，上述故障的判断方法为：

(1)行波保护是利用故障时电压电流的特征波作为判据；直流线路故障时，故障波向两侧传播，传播速度接近于光速；保护判据为：

式中P表示极波，dP_th为极波变化率阈值，Z为直流线路阻抗值，i为电流；

(2)微分欠压保护以电压突变量为保护判据，当输电线路发生故障时，故障线路端口电压迅速降低，而其余线路端口由于电抗器，变化较为缓慢；利用这一特点，可实现快速定位到故障点，保护判据为：

式中，u为换流站出口处电压，U_th为电压的整定值，dU_th为电压变化率的整定值。

本发明的有益技术效果是：1、充分利用换流站类型、DCB和UFD的动作特性，三者彼此配合进行故障隔离。

2、能够增加供电稳定性，减少停电范围，保证电网发生瞬时故障或永久故障时，换流站功率仅中断数十毫秒的功率输送。

3、具有一定冗余性，当某个DCB出现故障时，其临近的DCB可以作为后备DCB，作为补充对电网进行保护。

附图说明

图1显示为本发明的实施例2的考虑节点类型的DCB配置方法示意图。

其中，图1a为配置原则1示意图，图1b为配置原则2示意图，图1c为配置原则3示意图，图1d为配置原则4示意图。

图2显示为本发明的实施例2的基于换流站类型的DCB配置及分区示意图。

图3显示为本发明的实施例2的不同位置下的故障点示意图。

其中图3a为情形1示意图，图3b为情形2示意图，图3c为情形3示意图。

图4显示为本发明的实施例2的换流站电容放电回路。

图5显示为本发明的实施例2的三端混合模型故障1仿真结果图。

其中图5a为极间瞬时短路故障示意图，图5b为极间永久短路故障示意图。

图6显示为本发明的实施例2的三端混合模型故障2仿真结果图。

其中图6a为极间瞬时短路故障示意图，图6b为极间永久短路故障示意图。

图7显示为本发明的实施例2的传统故障隔离方法下的DCB配置。

图8显示为本发明的实施例2的传统DCB配置的故障仿真结果图。

其中图8a为极间瞬时短路故障示意图，图8b为极间永久短路故障示意图。

图9显示为本发明的实施例1的虑节点类型的DCB配置方法流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1-9，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图9所示，在考虑基于换流站节点类型的直流断路器配置方法时，对DCB配置的要求如下：

1)尽可能降低投资成本。DCB造价昂贵，直流电网的保护应在满足***安全可靠运行、故障快速隔离等基本要求下，尽可能地减小DCB配置数量，提高方案经济性。

2)尽量减小停电范围。当直流电网发生故障时，应仅将故障线路从直流电网中切除。最理想的效果是由故障线路两端两个的断路器动作，仅隔离故障线路，尽可能减小对其余线路的影响，最大程度的保证供电的连续性和可靠性。

3)缩短具有故障清除能力换流站的闭锁时间。通过对具有故障清除能力换流站闭锁可以实现一定的故障隔离功能，但换流站闭锁会造成直流电网及其所连交流***的功率冲击，扩大停电范围，对电网稳定运行有一定影响，因此对于具有故障清除能力换流站应尽可能缩短闭锁时间。

4)有利于重合闸。未来直流电网多为架空线输电方式，直流线路故障多为瞬时性故障，当故障消失后，隔离线路线路可通过断路器重合闸恢复运行，因此断路器的配置方法应易于重合闸操作。

在直流电网的保护需求中，供电可靠性、运行稳定性以及保护动作的选择性和速动性的提高，是与断路器配置数量及配置方案投资成本相矛盾的。因此为满足直流电网的保护需求，需进一步研究DCB优化配置方法，以实现保护性能和投资成本相协调，在满足***运行性能要求的基础上，最大程度地降低成本。

因此，提出基于换流站节点类型的直流断路器配置方法，具体配置方法如下：

(1)、当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口加装一个DCB；

(2)、当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口仅有一条出线时，在靠近另一节点的位置安装一个DCB，在靠近本节点的位置安装一个UFD；

(3)、当具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口加装一个UFD；

(4)、当任意两个具有直流故障清除能力的节点相连时，其相连线路中需加装一个DCB；

(5)、当DCB与UFD的安装位置为同一位置时，仅保留DCB，无需额外安装UFD。

优选的，其中(4)的具体加装方法为：当其中一个节点传输功率与另一个节点不相同时，DCB的安装位置为更容量大的节点出口侧，使得容量大的节点不中断功率传输，而另一节点短时中断功率传送；当两者传输功率相同时，DCB可安装在任一节点出口。

优选的，在上述配置方法的基础上，DCB、UFD和节点的动作时序如下：

首先将DCB或UFD与节点的连接类型分为，与故障点直接相连、与故障点间接相连、与故障点不相连三种，具体定义如下：

1)与故障点直接相连的DCB或UFD：该DCB或UFD直接安装于故障线路一侧，至故障点相连的路径上，不经过其他DCB、UFD或直流节点；

2)与故障点间接相连的DCB或UFD：此DCB或UFD与故障点相连的路径上，其一，至少有一条路径没有经过DCB，通过UFD或直流节点与故障点相连，其二，至少有一条路径没有经过UFD，通过DCB或直流节点与故障点相连；

3)与故障点不相连的DCB或UFD：此DCB或UFD与故障点相连的所有路径中，每条路径都至少经过一个DCB或UFD；

其次以DCB为边界，对直流电网的线路保护进行分区，分区内故障时，仅有分区内的DCB、UFD、换流站节点动作；

具有故障清除能力的节点、DCB、UFD隔离故障的动作时序如下：

第一种、具有故障清除能力的节点：分区内发生故障后，分区内的具有故障清除能力的节点须利用其故障清除能力，减小故障支路电流，其后分区内与故障直接相连的UFD断开，隔离故障；当故障与具有故障清除能力的节点隔离后，若节点有多条出线，需恢复其运行；

第二种、UFD：当具有故障清除能力的节点使故障电流减小后，与故障点直接相连的UFD必须立即断开；

第三种、DCB：分区内发生故障后，作为分区边界与故障点直接相连及间接相连的DCB必须断开；当故障隔离后，与故障点间接相连DCB需再次闭合，以保证***功率的正常输送。

优选的，对于故障点两侧都是DCB、故障点两侧分别为UFD和DCB时，若故障点两端为DCB时，仅闭合距离故障点更远的DCB，若故障两侧分别为UFD、DCB，则仅闭合DCB；检测该闭合的DCB上有无故障电流，若无故障电流，则重合故障点另一侧UFD或DCB；若故障电流依然存在，则再次分断该DCB；

对于不具有直流故障清除能力的换流站节点仅有一条出线时，其首次故障后节点退出运行，交流侧交流断路器断开；重合闸时，首先闭合DCB，并判断故障电流是否存在，若故障电流依然存在，则再次断开该DCB；若无故障电流，则重合出线近端UFD、闭合交流断路器并解锁换流器，***恢复运行。

优选的，上述故障的判断方法为：

(1)行波保护是利用故障时电压电流的特征波作为判据；直流线路故障时，故障波向两侧传播，传播速度接近于光速；保护判据为：

式中P表示极波，dP_th为极波变化率阈值，Z为直流线路阻抗值，i为电流；

(2)微分欠压保护以电压突变量为保护判据，当输电线路发生故障时，故障线路端口电压迅速降低，而其余线路端口由于电抗器，变化较为缓慢；利用这一特点，可实现快速定位到故障点，保护判据为：

式中，u为换流站出口处电压，U_th为电压的整定值，dU_th为电压变化率的整定值。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图1所示，其中图中type1为不具有故障清除能力的换流站，type2指具有清除能力的换流站，虚线表示架空线另一端的DCB配置情况根据端口处换流站节点类型来配置。

具体配置方法说明如下：

1)不具有直流故障清除能力的节点出口处有多条出线时，每条线路出口加装一个DCB，如图1a)所示；

2)当不具有故障清除能力的节点连接交流***，且出口仅有一条出线时，由于此节点对整个直流电网的影响相对较小，出于经济性的考虑，仅在线路远端(靠近另一节点的位置)安装一个DCB，线路近端安装一个UFD，如图1b)所示，图中的ACB代指为交流断路器；

3)具有故障清除能力的节点出口处每条线路安装UFD，如图1c)所示；

4)在具有故障清除能力的节点出口处线路安装UFD，若任意两个具有故障清除能力的节点相连时，其相连线路需加装一个DCB。当节点1传输功率与节点2不相同时，DCB的安装位置为更容量大的节点出口侧，以保护容量大的节点不中断功率传输，而另一节点短时中断功率传送；当两者传输功率相同时，出于对DCB检修和维护的考虑，可安装在任一节点出口侧；其示意图如图1d)，其中图1d)中节点1的出线m与节点2的出线n大小无关系；

5)当DCB与UFD的安装地点为同一地点时，仅保留DCB，无需额外安装UFD。

需要说明的是各换流站交流侧出口处同样需配置交流断路器，为画图方便，图中并未表明。这种配置方法可拓展性强，供电可靠性高，适用于未来直流电网的三种组成形式。新建换流站与原有网孔相连或者两个直流电网进行相连时，可以在不对原有网孔断路器的安装位置以及数量做出改变的基础上，可直接根据以上配置原则相应添加UFD和DCB。

动作时序的说明：

此配置方法需要DCB、UFD、节点三者协调配合来清除故障，其中DCB(UFD)动作方案需要考虑DCB(UFD)的位置、连接的换流站类型。

首先将DCB(UFD)类型分为与故障点直接相连、与故障点间接相连、与故障点不相连三种，其定义如下：

1)与故障点直接相连的DCB(UFD)：该DCB(UFD)直接安装于故障线路一侧，至故障点相连的路径上，不经过UFD(DCB)与直流节点；

2)与故障点间接相连的DCB(UFD)：此DCB(UFD)与故障点相连的路径上，至少有一条路径没有经过DCB(UFD)，通过UFD(DCB)及直流节点与故障点相连；

3)与故障点不相连的DCB(UFD)：此DCB(UFD)与故障点相连的所有路径中，每条路径都至少经过一个DCB(UFD)。

其次以DCB为边界，对直流电网的线路保护进行分区，分区内故障时，仅有分区内的DCB、UFD、换流站动作。以三端混合直流电网为例，其中type1类型换流站以HB-MMC(半桥换流站，不具有故障清除能力的换流站)为例，type2类型换流站以FB-MMC(全桥换流站，具有故障自清除能力的换流站进行故障隔离)为例，并按本文所提的配置方法配置DCB，将电网分为3个区，配置示意图及分区如图2所示。

根据此分区方法，可以将所有直流输电线路故障分为以下三种，一是故障点两侧都为DCB，二是故障点位于不具有故障清除能力换流站唯一一条出线上，直流断路器位于出线远端，二是故障点两侧分别为DCB和UFD，具体情况如图3a)、如图3b)、如图3c)所示。

在此三种情形下，具有故障清除能力的节点、DCB、UFD隔离故障的动作要求总结如下：

1)具有故障清除能力的节点：分区内发生故障后，分区内的具有故障清除能力的节点须利用其故障清除能力，减小故障支路电流，其后分区内与故障直接相连的UFD断开，隔离故障；当故障与具有故障清除能力的节点隔离后，若节点有多条出线，需恢复其运行。

2)UFD：当具有故障清除能力的节点使故障电流减小后，与故障点直接相连的UFD必须立即断开。

3)DCB：分区内发生故障后，作为分区边界与故障点直接相连及间接相连的DCB必须断开；当故障隔离后，与故障点间接相连DCB需再次闭合，以保证***功率的正常输送。

除情形2要求交流侧断路器必须动作外，为避免扩大故障范围，影响交流侧的稳定，其余两种情形下，交流侧断路器无需动作。

重合闸策略：

由于架空线构建的直流电网发生的故障多为瞬时故障，为了保障电网供电的可靠性，在DCB首次动作后的一定延时以后，需考虑重合闸策略。因此结合断路器配置方法的具体重合闸策略说明如下：

1)对于情形1与情形3而言，若故障点两端为DCB时，仅闭合距离故障点更远的DCB，若故障两侧分别为UFD、DCB，则仅闭合DCB。检测该闭合的DCB上有无故障电流，若无故障电流，则重合故障点另一侧UFD或DCB；若故障电流依然存在，则再次分断该DCB。

2)对于如图1b)所示不具有直流故障清除能力的换流站节点仅有一条出线时的特殊情况，其首次故障后节点退出运行，交流侧断路器断开。重合闸时，首先闭合DCB，并判断故障电流是否存在。若故障电流依然存在，则再次断开该DCB；若无故障电流，则重合出线近端UFD、闭合交流断路器并解锁换流器，***恢复运行。

故障判断：

对于直流电网而言，任一线路发生故障时，***内所有UFD与DCB都能检测到电气量的变化。如何准确判断故障点，确保UFD、DCB准确隔离故障线路不发生误动作导致故障扩大是故障隔离一个非常重要的环节。

目前直流***中选择的保护配置方案较多的是行波保护与微分欠压保护。与本文所提配置策略相配合的输电线路保护判据也是基于此两种方法。

行波保护利用故障时电压电流的特征波作为判据。直流线路故障时，故障波向两侧传播，传播速度接近于光速。保护判据为：

式中P表示极波，dP_th为极波变化率阈值，Z为直流线路阻抗值，i为电流；

微分欠压保护以电压突变量为保护判据，当输电线路发生故障时，故障线路端口电压迅速降低，而其余线路端口由于电抗器，变化较为缓慢。利用这一特点，可实现快速定位到故障点。保护判据为：

式中，U为换流站出口处电流，U_th为电压的整定值，dU_th为电压变化率的整定值。

柔性直流电网的输电线路长度一般不超过300km。则故障点两侧的保护装置可在1ms内检测到故障波，与非故障点两侧的保护装置检测到的电气量幅度变化及延时不同，微分欠压保护与行波保护可快速检测定位故障，且两种保护配合关系为“或”，当一种保护判据启动，其两侧保护装置便启动，为避免保护拒动或误动。

与换流站的协调配合：

故障发生时，换流站为隔离故障会闭锁，而当输电线路配置DCB与UFD等设备时，直流线路的故障隔离需考虑两种保护的协调配合。无论与DCB直接相连的换流站类型为type1还是type2，DCB的动作时间都要小于换流站闭锁的时间，以免损失更多的功率。

从文献和工程实例中可以得出，从故障发生到DCB断开故障电流的时间一般为3ms左右，无法缩短。而故障电流的增速可达10kA/ms，换流站闭锁保护启动的时间为数十微妙，也就意味着故障电流可在1ms内超过换流站保护电流定值，换流站立即闭锁。因此为了保证DCB在换流站闭锁前有较为充足的动作时间，需要考虑限流措施。

目前工程常采用限流电抗进行限流，部分文献也提出使用限流子模块或者超导限流电阻，不过成本较高。为了更具有应用价值和降低成本，本文采用限流电抗进行限流。限流电抗器选取的原则是在不影响***稳定性的前提下，降低故障电流上升率，与断路器和换流站实现配合，保证换流站未因桥臂过流而闭锁且断路器有能力开断电流。所以，限流电抗值的选取与断路器开断能力和换流站器件过流能力是息息相关的。换流站放电路径如图4所示。

求得时域下故障电流的表达式，并忽略交流电网分流作用，求得单相桥臂电流的近似表达式i_f：

上述式中：

其中i_dc为直流线路电流，U_dc为直流母线电压，I₀为故障初始电流，L_eq为桥臂电抗器L₀、限流电抗器L_dc和直流线路寄生电抗产生的等效电抗，C为子模块电容，N为桥臂子模块个数，R₀近似表示单相桥臂的开关器件和桥臂电感的损耗，R_eq为线路的等效电阻，L_eq为计及桥臂电抗器、直流电抗器以及直流线路电抗的等效电抗。

式(10)中取L_d＝2L_lim+L_p，3ms桥臂电流应小于闭锁阈值I_blk，且留有一定裕度，所以限流电抗值的选取应满足下式：

式中裕度系数λ₁取1.2～1.5，I_fN为桥臂额定电流，P_dc、S_N、U_V分别为直流功率、额定容量和阀侧交流电压。综合式(9)，式(10)，式(11)即可求得限流电抗的值，求得的电抗值尽量取小值。

仿真验证：

(1)仿真***参数

为验证所提配置方法的正确性，需对三种情形下的故障进行仿真，情形1与情形2囿于篇幅所限，此处不再赘述，仅对情形3进行仿真分析。

需要说明的是，如图2所示的三端仿真***由两个不具备故障清除能力的换流站与一个具有故障清除能力的换流站组成。考虑到本文所提的DCB配置方法是针对未来直流电网的三种形态而提出的，仿真验证时应尽可能验证较多的情况。综合考虑之后，虽然图2所示的三端仿真***不具有通用性，仍在PSCAD/EMTDC中搭建如图2所示的三端仿真混合模型，其电压级别为±500kV，换流站部分参数如表1所示，架空线线路参数如表2所示。

表1三端混合模型换流站参数

备注：换流站功率从交流侧流入之流侧为正。

表2直流线路参数

经过计算，各换流站出口处安装的限流电感取值为：0.25，0.4，0.15。模型中所使用的DCB为混合式直流断路器，其动作时间为5ms，重合闸时间为300ms，FB-MMC换流站闭锁次数设为3，若超过3次重启后仍检测到故障电流，则不再重启，闭锁后后解锁时间为20ms，UFD动作时间为2ms。

(2)基于换流站类型的DCB配置仿真验证

根据基于换流站的DCB配置方法，HB-MMC两条出线均配置DCB，而FB-MMC1传输功率大于FB-MMC2，因此线路l1中的DCB配置于FB-MMC1出口处，总共配置三个DCB。

以线路l1距离FB-MMC1换流站100km处(图2中的1处)与线路l2距离FB-MMC1换流站25km处(图2中的2处)发生的极间瞬时短路和永久短路故障为例进行仿真分析，其仿真结果如图5、图6所示，图中子图分别为换流站出口处电流，线路电流。

t＝2s时1处发生极间短路瞬时故障，与故障点直接相连的DCB1及与其间接相连的DCB3检测到故障后，在5ms内完成开断，FB-MMC2检测到故障电流，迅速闭锁。待电流减小后，UFD2和UFD3断开隔离故障，Idc2和Idc3降为0；t＝2.02s时，FB-MMC解锁，UFD3与DCB3合上导通输电线路，线路l3恢复功率输送，Idc3增大。在DCB与UFD隔离故障后，直流侧电流波动，但由于其电流未达到换流站闭锁条件，由于交流侧断路器无需动作，换流站仍向电网输送功率。

t＝2.3s时，DCB1启动重合闸，由于故障为瞬时故障时，此时故障已被清除，因此重合闸成功。t＝2s时1处发生永久短路瞬时故障，启动重合闸前故障现象与极间瞬时短路故障重合闸前相似。t＝2.3s时，DCB1启动重合闸动作，但故障电流仍然存在，则重合闸不成功，DCB1再次断开。但此时考虑到电网的功率输送，交流侧仍然不动作，换流站持续输送功率。从图5(a)、(b)可以看出，仿真结果与理论相同，证明此配置方法能够隔离故障。

从图6可看出，当2处发生故障时，其故障现象与1处发生故障时相似，DCB可在短时间内隔离故障，正常输送功率。因此可总结得出，无论情形3中与DCB直接相连的换流站是否具有故障清除能力，本文所提出的DCB配置策略能够正确的隔离故障，不影响换流站的功率输送，提高***的稳定性。

(3)传统DCB配置的仿真验证

在传统DCB配置，FB-MMC出口处均不安装DCB，下与FB-MMC相连的线路仅安装UFD，与HB-MMC连接的线路都安装DCB，总共安装2个DCB，配置结果如图7所示。在线路l1的1处投入极间瞬时及永久短路故障时，故障仿真结果如图8。

t＝2s故障发生，由于UFD无故障清除能力，FB-MMC1与FB-MMC2检测到故障而闭锁，HB-MMC通过网孔内的架空线持续向故障点馈能，待DCB1与DCB2检测到故障电流动作以隔离HB-MMC，UFD断开隔离故障。t＝2.02s，FB-MMC1与FB-MMC2重启，UFD打开，若再次检测到故障电流便重新闭锁。若为瞬时故障，HB-MMC功率输送中断时长为数百毫秒，在断路器重合闸后，电网恢复正常的功率输送，如图8(a)所示，若为永久故障，FB-MMC1与FB-MMC2重启3次后，不再尝试重启，UFD状态为断开，则当DCB重合闸后，各线路电流为0，换流站出口电流为0，电网损失全部功率。

从图5到图8的对比中可看出，传统DCB配置下电网发生故障时，故障现象更为严重，甚至整个电网功率都停止输送，影响了供电可靠性。

虽然基于换流站节点类型的DCB配置方法比传统DCB配置下的DCB个数要多一个，牺牲了一定的经济性，但增加了电网的供电可靠性与稳定性，且在保护装置拒动时，临近的保护装置可以提供支援，具有一定的冗余性。

得出结论：

以保证供电可靠性，结合快速隔离故障、减小停电范围等要求，提出了基于换流站节点类型的DCB配置方法，该配置方法：

1)充分利用换流站类型、DCB和UFD的动作特性，三者彼此配合进行故障隔离；

2)能够增加供电稳定性，减少停电范围，保证电网发生瞬时故障或永久故障时，换流站功率仅中断数十毫秒的功率输送

3)具有一定冗余性，当某个DCB出现故障时，其临近的DCB可以作为后备DCB，作为补充对电网进行保护。

Claims (2)

1.基于换流站节点类型的直流断路器配置方法，其特征在于，具体配置方法如下：

(1)、当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口安装一个DCB；

(2)、当不具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口仅有一条出线时，在靠近另一节点的位置安装一个DCB，其中另一节点的位置为线路远端，在靠近本节点的位置安装一个UFD；

(3)、当具有直流故障清除能力的节点一端连接交流***，且本节点出口端有多条出线时，每条出线口安装一个UFD；

(4)、当任意两个具有直流故障清除能力的节点相连时，其相连线路中需安装一个DCB；

(5)、当DCB与UFD的安装位置为同一位置时，仅保留DCB，无需额外安装UFD；

其中(4)的具体安装方法为：当其中一个节点传输功率与另一个节点不相同时，DCB的安装位置为更容量大的节点出口侧，使得容量大的节点不中断功率传输，而另一节点短时中断功率传送；当两者传输功率相同时，DCB可安装在任一节点出口；

在上述配置方法的基础上，DCB、UFD和节点的动作时序如下：

首先将DCB或UFD与节点的连接类型分为，与故障点直接相连、与故障点间接相连、与故障点不相连三种，具体定义如下：

1)与故障点直接相连的DCB或UFD：该DCB或UFD直接安装于故障线路一侧，至故障点相连的路径上，不经过其他DCB、UFD或直流节点；

2)与故障点间接相连的DCB或UFD：此DCB或UFD与故障点相连的路径上，其一，至少有一条路径没有经过DCB，通过UFD或直流节点与故障点相连，其二，至少有一条路径没有经过UFD，通过DCB或直流节点与故障点相连；

3)与故障点不相连的DCB或UFD：此DCB或UFD与故障点相连的所有路径中，每条路径都至少经过一个DCB或UFD；

其次以DCB为边界，对直流电网的线路保护进行分区，分区内故障时，仅有分区内的DCB、UFD、换流站节点动作；

具有故障清除能力的节点、DCB、UFD隔离故障的动作时序如下：

第一种、具有故障清除能力的节点：分区内发生故障后，分区内的具有故障清除能力的节点须利用其故障清除能力，减小故障支路电流，其后分区内与故障直接相连的UFD断开，隔离故障；当故障与具有故障清除能力的节点隔离后，若节点有多条出线，需恢复其运行；

第二种、UFD：当具有故障清除能力的节点使故障电流减小后，与故障点直接相连的UFD必须立即断开；

第三种、DCB：分区内发生故障后，作为分区边界与故障点直接相连及间接相连的DCB必须断开；当故障隔离后，与故障点间接相连DCB需再次闭合，以保证***功率的正常输送；

对于故障点两侧都是DCB、故障点两侧分别为UFD和DCB时，若故障点两端为DCB时，仅闭合距离故障点更远的DCB，若故障两侧分别为UFD、DCB，则仅闭合DCB；检测该闭合的DCB上有无故障电流，若无故障电流，则重合故障点另一侧UFD或DCB；若故障电流依然存在，则再次分断该DCB；

对于不具有直流故障清除能力的换流站节点仅有一条出线时，其首次故障后节点退出运行，交流侧交流断路器断开；重合闸时，首先闭合DCB，并判断故障电流是否存在，若故障电流依然存在，则再次断开该DCB；若无故障电流，则重合出线近端UFD、闭合交流断路器并解锁换流器，***恢复运行。

2.根据权利要求1所述的基于换流站节点类型的直流断路器配置方法，其特征在于，上述故障的判断方法为：

(1)行波保护是利用故障时电压电流的特征波作为判据；直流线路故障时，故障波向两侧传播，传播速度接近于光速；保护判据为：

式中P表示极波，dP_th为极波变化率阈值，Z为直流线路阻抗值，i为电流，u为换流站出口处电压；

(2)微分欠压保护以电压突变量为保护判据，当输电线路发生故障时，故障线路端口电压迅速降低，而其余线路端口由于电抗器，变化较为缓慢；利用这一特点，可实现快速定位到故障点，保护判据为：

式中，u为换流站出口处电压，U_th为电压的整定值，dU_th为电压变化率的整定值。

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